音樂噴泉計(jì)算機(jī)集成控制——應(yīng)用與開發(fā)
2017-2-9 10:21:29??????點(diǎn)擊：
提要：介紹了計(jì)算機(jī)在噴泉水泵的供電、調(diào)速、搖擺噴頭的定位、多媒體音樂噴泉的控制及計(jì)算機(jī)輔助配樂、人工智能實(shí)時控制等方面的應(yīng)用與開發(fā)。
關(guān)鍵詞：噴泉工程,電控設(shè)計(jì),計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)時控制
音樂噴泉是一項(xiàng)幻彩聲控，現(xiàn)代科技與藝術(shù)的綜合。現(xiàn)代噴泉的各種機(jī)構(gòu)動作復(fù)雜多樣，變化迅速，又要與音樂同步一致，所以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要完成音樂噴泉的自動選曲、同步演示、控制和存儲樂曲等全部信息數(shù)據(jù)處理及監(jiān)測運(yùn)行的過程。所以，計(jì)算機(jī)控制在音樂噴泉中已占有相當(dāng)重要的地位，隨著多媒體和人工智能的發(fā)展，計(jì)算機(jī)已從單純噴泉控制發(fā)展到樂曲管理、計(jì)算機(jī)輔助配樂及噴泉多媒體仿真的計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)。
限于給水排水專業(yè)范圍，本文不可能對計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)作詳盡敘述，而是想通過此文讓噴泉工程的工藝設(shè)計(jì)者--給水排水工程師，了解現(xiàn)代音樂噴泉在控制方面的最新技術(shù)。
1 音樂噴泉水泵的供電系統(tǒng)
在大型音樂噴泉中，用變頻電源供電的電動機(jī)總?cè)萘繒艽螅玫臄?shù)量會很多。在同一時刻，它們各自需要有多種供電頻率。因此，用變頻器來作為變頻電源就會耗費(fèi)大量投資。可以采用集中整流，先把交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳎賹γ柯芬艨厮貌捎靡慌_逆變器，把直流轉(zhuǎn)換成各種不同頻率的交流電源，向水泵電機(jī)供電。這是一種既節(jié)能又可降低控制設(shè)備投資的最佳方案。
在集中整流方面，可以采用成套整流裝置，其中用1臺整流裝置作為備用，并用自動合閘來增加供電的可靠性。
目前逆變器已有工業(yè)產(chǎn)品，如德國施萊福公司生產(chǎn)的逆變器有可靠的電氣性能，設(shè)計(jì)壽命為15年，適用環(huán)境溫度-10℃~40℃。逆變器大都帶有RS485或SPI串行通信接口。計(jì)算機(jī)的每一路RS485接口可連接32臺逆變器。這樣在計(jì)算機(jī)上也不再需要D/A轉(zhuǎn)換接口了。
2 音樂噴泉水泵的PWM調(diào)速控制
噴泉音控主要有兩種方式：（1） 水泵電機(jī)的調(diào)速；（2） 控制噴嘴閥門開閉的大小。閥控具有響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，適用于輕松跳躍的節(jié)奏；而在計(jì)算機(jī)控制下的水泵調(diào)速，則變化多樣，更宜于配合抒情和優(yōu)雅的旋律。對一般音樂噴泉水泵調(diào)速控制不需要采用高精度的變頻器，只要用10∶1調(diào)速范圍的交流電壓調(diào)速系統(tǒng)就可以滿足要求。
由于近來功率半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，高電壓和大電流的MOSFET或IGBT驅(qū)動電路應(yīng)用已十分普遍。所以在控制計(jì)算機(jī)中對50周波交流電進(jìn)行多路PWM調(diào)制，就可以得到多路不同調(diào)制系數(shù)的50周波交流電。再把它們分別驅(qū)動MOSFET或IGBT,就會產(chǎn)生不同電壓的50周波交流電源，實(shí)現(xiàn)簡便的交流電壓調(diào)速控制。
3 噴泉搖擺機(jī)構(gòu)的定位及速度控制
搖擺噴泉的位置和運(yùn)動速度的變化是產(chǎn)生搖擺水型瀟灑風(fēng)彩的重要因素。噴泉搖擺機(jī)構(gòu)的位置傳感器應(yīng)當(dāng)是防水的不接觸定位裝置。經(jīng)常采用由磁鐵感應(yīng)的霍爾傳感器、光纖引導(dǎo)的光電傳感器或磁鐵吸引的旋轉(zhuǎn)位置編碼器等。
例如對于采用位置編碼器的噴泉搖擺機(jī)構(gòu)的定位裝置包括：裝在搖擺電機(jī)軸上的位置編碼器、高速計(jì)數(shù)器、控制計(jì)算機(jī)以及通信接口等。
異步電動機(jī)的準(zhǔn)確停車涉及到采用何種方法進(jìn)行制動問題。采用能耗制動方式，在定子中通入直流電產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行制動，可在轉(zhuǎn)速為零時轉(zhuǎn)矩也為零，達(dá)到準(zhǔn)確停車的目的。
由于搖擺機(jī)構(gòu)的連桿一般會有較大的間隙，為了達(dá)到精確定位只能使搖擺機(jī)構(gòu)從一個方向到達(dá)定位點(diǎn)，才能保證其重復(fù)精度。因此，搖擺機(jī)構(gòu)需要停車時，每次都必須從一個方向到達(dá)定位點(diǎn)。
搖擺機(jī)構(gòu)的定位精度受運(yùn)動力矩與阻力矩的影響。運(yùn)動力矩決定于電動機(jī)的電源電壓和停車前的運(yùn)動速度等，而阻力矩則由搖擺機(jī)構(gòu)的摩擦力、水流的速度、周圍的風(fēng)力等合成。可見，這些都是不能事先確定的因素。所以，為了達(dá)到精確定位的目的，我們必須每次改變其控制參數(shù)。對于采用電動機(jī)能耗制動來精確定位的控制參數(shù)一般有兩個，直流制動電流的大小和啟動制動時間。對計(jì)算機(jī)控制較為方便的方式是采用改變制動時間。
在控制系統(tǒng)中，電動機(jī)制動時間可用檢測到位點(diǎn)的偏差來進(jìn)行修正。根據(jù)搖擺機(jī)構(gòu)定位偏差值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，最后確定制動時間。
當(dāng)搖擺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度要與樂曲的節(jié)奏同步時，就要求得它的運(yùn)動速度，并對搖擺電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。由于速度就是位移對時間的微分，所以從搖擺電機(jī)軸上位置編碼器送來的脈沖數(shù)，就可以在計(jì)算機(jī)中求出它的運(yùn)動速度。
4 音樂噴泉的計(jì)算機(jī)自動控制
音樂噴泉控制軟件包括自動選曲、水型與樂曲同步、水型的程序演示、彩色燈光的程序演示、水型的音量隨動、水型的節(jié)奏隨動、聲音的延時控制等。
4.1 自動選曲
音樂噴泉所播放的樂曲光盤可以從計(jì)算機(jī)的光盤塔中直接播放。當(dāng)操作員在樂曲數(shù)據(jù)庫中確定了演示樂曲后，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能從光盤塔中自動尋找所要播放的光盤在哪一個光盤驅(qū)動器中，隨后啟動該驅(qū)動器，正確地播放選定的樂曲。若選擇的樂曲光盤不在光盤塔中時，也會自動揭示。
4.2 水型與樂曲同步控制
當(dāng)樂曲開始播放，水型會同步演示。在上一首樂曲結(jié)束和下一首樂曲開始的間歇期間，水型也會保持同步停止和繼續(xù)演示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能提供可調(diào)整的聲音延時，對各種不同容量的水泵，采用不同的延時，使水型與樂曲達(dá)到同步的效果。
4.3 水型的程序演示
噴泉水泵電動機(jī)是受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的程序控制，每一段樂曲由哪些水泵開始都是由樂曲播放數(shù)據(jù)表中規(guī)定。對某些并聯(lián)控制水泵的動作也受水型的演示程序控制。
4.4 彩色燈光、光纖照明和激光照射的程序演示
與水型的演示程序類似，彩色燈光、光纖照明和激光照射也由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)程序控制。光纖照明用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)的彩色遮光盤而進(jìn)行變色。而激光照射是由計(jì)算機(jī)對光纖進(jìn)行掃描。激光光源的波長也由計(jì)算機(jī)來控制，從而改變激光和亮度，實(shí)現(xiàn)各種彩色圖案。
4.5 水型的音量隨動控制
對于某些水型，在藝術(shù)造型上要求與音樂隨動，使音樂噴泉表演出樂曲的內(nèi)涵和感情。這種水型的起伏變化是由音控所產(chǎn)生。在樂曲播放數(shù)據(jù)表中，對控制音平的強(qiáng)弱有兩個加權(quán)系數(shù)，其一是對整個曲段的加權(quán)，另一個是在這一段中對某一個或幾個水型的加權(quán)。這樣能使音樂噴泉的演示效果和主題更為明確。
4.6 水型的節(jié)奏隨動控制
對某些水型的跳躍和搖擺要與樂曲的節(jié)奏同步，表演出音樂噴泉的激情和活力。這種水型的跳躍和搖擺變化也是由音控所產(chǎn)生。首先，計(jì)算機(jī)從樂曲的音量變化曲線中取出樂曲的節(jié)奏；然后，控制水泵電動機(jī)啟停或加速，使噴嘴的水流產(chǎn)生與節(jié)奏同步的跳動。
4.7 聲音的延時控制
聲音延時控制在音樂噴泉中要多次用到。這里指的聲音延時控制是在不同地形位置觀看噴泉時，會出現(xiàn)音樂與水型的不同步現(xiàn)象。因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能提供可調(diào)整的聲音延時，使站在不同位置的觀眾，達(dá)到同步的效果。
4.8 噴泉用電負(fù)荷的自動控制和保護(hù)
當(dāng)噴泉用電量超過最大允許負(fù)荷時，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)會自動切斷某些水泵電源，使總負(fù)荷不超過定額。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可把電源每一相的電壓和電流波形存儲起來，計(jì)算出有效電壓、有效電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等。因此，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以在極短的時間內(nèi)確定過電流時的電流量以及持續(xù)時間，用計(jì)算機(jī)來作無熔斷器的過流保護(hù)，可以在5μs時間內(nèi)關(guān)斷事故電路的輸出。
5 音樂噴泉計(jì)算機(jī)輔助配樂軟件
在音樂噴泉的樂曲數(shù)據(jù)庫中，每一首樂曲都有它的樂曲播放數(shù)據(jù)表。樂曲播放數(shù)據(jù)表在配樂時由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，但這是要由配樂者一段一段地來選擇適合的水型和燈光，也就是由人工來進(jìn)行配樂。人工配樂是一件十分仔細(xì)和需要智慧的藝術(shù)創(chuàng)造工作。
音樂噴泉計(jì)算機(jī)輔助配樂軟件是由一個人工智能的專家系統(tǒng)和一個噴泉配樂知識庫組成。它提供簡單的問話語句來描述這首樂曲或某段樂句的“知識”,如樂曲類別、節(jié)奏快慢、情緒高低、演奏或演唱人的數(shù)量、樂器種類等。隨后由計(jì)算機(jī)提出幾種噴泉演示方案，供操作人員選擇。
若在沒有人為選擇時，它也有一個默認(rèn)方案，即實(shí)現(xiàn)水型自動組合。配樂后所產(chǎn)生的噴泉控制數(shù)據(jù)存入樂曲數(shù)據(jù)庫中。
在計(jì)算機(jī)控制軟件中也會提供多種典型樂曲程序。如進(jìn)行曲、舞曲、抒情曲和跳躍的流行曲等。當(dāng)選擇其中的典型樂曲程序時，就不必進(jìn)行配曲即可演示音樂噴泉。
6 多媒體音樂噴泉仿真與實(shí)時監(jiān)控
當(dāng)樂曲初次配樂完成后，音樂噴泉的演示效果可以用多媒體實(shí)現(xiàn)虛擬仿真。噴泉多媒體虛擬仿真可采用DIRECTOR多媒體平臺。它把計(jì)算機(jī)屏幕作為演示舞臺，各種水型作為“演員（Cast）”.在“總譜表（Scorc）”中存放音樂噴泉各種類型的演示子程序。在“腳本（Script）”導(dǎo)演下完成多媒體音樂噴泉的動畫演示。DIRECTOR多媒體平臺的“腳本”是用Lingo語言編寫，它可以實(shí)現(xiàn)超鏈接的功能；此外，Lingo語言還有控制功能，可對各種不同對象進(jìn)行分鏡頭控制。各組分鏡頭都有它們的各自的編號。
各種水型的仿真演示都是由“水型演員”在多媒體平臺進(jìn)行各種組合 ,它們存放在指定的演員表中。
樂曲數(shù)據(jù)庫里的每一首樂曲是用Lingo語言寫成的多媒體虛擬仿真腳本。Lingo語言允許把腳本寫成表格的形式，這樣虛擬仿真腳本就可以從樂曲播放數(shù)據(jù)表轉(zhuǎn)換得到。
當(dāng)音樂噴泉多媒體虛擬仿真時，腳本會根據(jù)樂曲播放數(shù)據(jù)表中規(guī)定的程序在計(jì)算機(jī)屏幕上演示，并保持與音樂的同步。
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